(57)【要約】    【課題】  熱電材料と電極とが交互に積層された熱電モジュールにおいて、組み立てが容易な熱電モジュールを提供する。    【解決手段】  アルミナからなる下基板２及び上基板３を相互に平行に、且つ相互に離隔して設け、両基板の間に、Ｘ方向に３個、Ｙ方向に４個の合計１２個の基本ブロック８をマトリクス状に配置する。そして、基本ブロック８同士を、下基板２の上面に形成した電極パターン９によって直列に接続する。また、各基本ブロック８においては、Ｘ方向に沿って、下側電極６、Ｎ型熱電チップ４、上側電極７、Ｐ型熱電チップ５、下側電極６、Ｎ型熱電チップ４、上側電極７、Ｐ型熱電チップ５、下側電極６をこの順に配列し、直列に接続する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも表面が絶縁材料からなる基板と、この基板の表面上に形成された複数個の基板電極と、前記基板の表面に平行な第１の方向に沿って配列され、夫々複数個の熱電チップ及び複数個の電極が交互に配列され相互に直列に接続されて構成された複数個の基本ブロックと、を有し、前記基本ブロックは、前記基板に熱的に接続された第１の電極と、前記基板に熱的に接続されていない第２の電極とが、その相互間に第１導電型熱電チップ又は第２導電型熱電チップを配置して交互に前記第１の方向に沿って繰り返し配列され、相互に隣り合う２つの前記基本ブロックのうち、一方の基本ブロックにおける他方の基本ブロック側の端に配置された第１の電極と、前記他方の基本ブロックにおける前記一方の基本ブロック側の端に配置された第１の電極とが、前記基板電極の１つに共通接続されていることを特徴とする熱電モジュール。
【請求項２】
少なくとも表面が絶縁材料からなり、前記第２の電極が熱的に接続された他の基板を有することを特徴とする請求項１に記載の熱電モジュール。
【請求項３】
前記他の基板の枚数が１枚であることを特徴とする請求項２に記載の熱電モジュール。
【請求項４】
前記他の基板が前記基本ブロック毎に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の熱電モジュール。
【請求項５】
前記基板が前記基本ブロック毎に設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱電モジュール。
【請求項６】
前記第２の電極における前記基板から見て遠い側の端部に絶縁層が形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の熱電モジュール。
【請求項７】
前記第１及び第２の電極のうち、廃熱側の電極における前記基板の表面に平行な断面の断面積が、吸熱側の電極における前記基板の表面に平行な断面の断面積よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の熱電モジュール。
【請求項８】
前記第１及び第２の電極における前記第１導電型熱電チップと前記第２導電型熱電チップとの間に位置する部分の前記第１の方向の長さが、前記第１及び第２の電極における前記部分以外の部分の前記第１の方向の長さよりも短いことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の熱電モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電チップと電極とが交互に積層された熱電モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、バイオテクノロジー分野における各種の温度制御、加工用の高出力レーザ発振器の温度制御、コンピュータのＣＰＵ（Central Processing Unit：中央処理装置）の冷却等の用途に対して、吸熱量が大きい熱電モジュールが要望されている。単に吸熱量を大きくするだけであれば、大きなサイズの熱電モジュールを使用すればよいが、実際には熱電モジュールを実装する面積にも制約があるため、単位面積当たりの吸熱量をいかに大きくするかが重要な問題となっている。
【０００３】
そこで、特許文献１乃至３には、Ｎ型熱電チップ、低温側電極、Ｐ型熱電チップ、高温側電極をこの順に繰り返し積層して積層体を形成する技術が開示されている。図１３はこの従来の熱電モジュールの積層体を示す側面図である。図１３に示すように、この従来の熱電モジュールにおいては、Ｎ型熱電チップ１０１、低温側電極１０２、Ｐ型熱電チップ１０３及び高温側電極１０４がこの順に繰り返し積層されて、積層体１０５が形成されている。即ち、積層体１０５においては、各素子及び各電極が直列に接続されている。
【０００４】
そして、低温側電極１０２は積層体１０５の積層方向に直交する一方向に延出し、共通の低温側基板１０６に形成された凹部１０６ａにより、その先端が包み込まれるようになっている。また、高温側電極１０４は低温側電極１０２の延出方向とは反対の方向に延出し、共通の高温側基板１０７に形成された凹部１０７ａにより、その先端が包み込まれるようになっている。
【０００５】
また、特許文献１には、積層体を複数本、相互に平行に配置して、この複数本の積層体の積層方向両側に１対の固定板を設け、この固定板同士を連結することにより、複数本の積層体を相互に連結する技術が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平０８−００８４６４号公報（図１）
【特許文献２】特開平０７−２２１３５２号公報（図１）
【特許文献３】実公昭４２−００９２１０号公報（第２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述の従来の技術には、以下に示すような問題点がある。前述の特許文献１乃至３に記載の技術においては、図１３に示すように、熱電モジュールを組み立てる際には、低温側基板１０６及び高温側基板１０７に夫々凹部１０６ａ及び１０７ａを形成しなくてはならず、工程が煩雑になる。また、組み立て時に、凹部１０６ａと高温側電極１０４とを位置合わせすると共に、凹部１０７ａと低温側電極１０２とを位置合わせしなくてはならないため、工程がより一層煩雑になる。また、低温側電極１０２を積層体１０５から一方向に延出させ、高温側電極１０４が他方向に延出させる必要があるため、組み立てが困難である。また、特許文献１に開示された熱電モジュールにおいては、更に、複数本の積層体を同時に固定しなくてはならないため、この固定作業も困難である。
【０００８】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、熱電材料と電極とが交互に積層された熱電モジュールにおいて、組み立てが容易な熱電モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る熱電モジュールは、少なくとも表面が絶縁材料からなる基板と、この基板の表面上に形成された複数個の基板電極と、前記基板の表面に平行な第１の方向に沿って配列され、夫々複数個の熱電チップ及び複数個の電極が交互に配列され相互に直列に接続されて構成された複数個の基本ブロックと、を有し、前記基本ブロックは、前記基板に熱的に接続された第１の電極と、前記基板に熱的に接続されていない第２の電極とが、その相互間に第１導電型熱電チップ又は第２導電型熱電チップを配置して交互に前記第１の方向に沿って繰り返し配列され、相互に隣り合う２つの前記基本ブロックのうち、一方の基本ブロックにおける他方の基本ブロック側の端に配置された第１の電極と、前記他方の基本ブロックにおける前記一方の基本ブロック側の端に配置された第１の電極とが、前記基板電極の１つに共通接続されていることを特徴とする。
【００１０】
本発明においては、複数個の基本ブロックを有するため、熱電モジュールの組み立てに際して、基本ブロックを基板上に順次配置していけばよい。このため、ハンドリング性が良好で、熱電チップが破損しにくいため、組み立てが容易である。
【００１１】
また、前記第２の電極における前記基板から見て遠い側の端部に絶縁層が形成されていてもよい。これにより、前記第２の電極の端部に、導電性の材料からなる他の基板を接合することができる。
【００１２】
更に、前記第１及び第２の電極のうち、廃熱側の電極における前記基板の表面に平行な断面の断面積が、吸熱側の電極における前記基板の表面に平行な断面の断面積よりも大きくてもよい。これにより、吸熱側の電極よりも大きな熱流が流れる廃熱側の電極において熱抵抗を低減し、熱電モジュール全体の効率を向上させることができる。
【００１３】
更にまた、前記第１及び第２の電極における前記第１導電型熱電チップと前記第２導電型熱電チップとの間に位置する部分の前記第１の方向の長さが、前記第１及び第２の電極における前記部分以外の部分の前記第１の方向の長さよりも短くてもよい。これにより、熱電モジュールを大型化することなく、熱抵抗を低減し、熱電モジュール全体の効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、熱電モジュールに、熱電チップと電極とが交互に配列された基本ブロックを複数個設けているため、この基本ブロックを基板上に順次配置していくことにより、熱電モジュールを容易に組み立てることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。先ず、本発明の第１の実施形態について説明する。図１（ａ）は本実施形態に係る熱電モジュールを上方から見た平面図であり、（ｂ）はその側面図である。なお、図１（ａ）においては、便宜上、図１（ｂ）に示す上基板は図示を省略している。
【００１６】
図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態に係る熱電モジュール１においては、各１枚の下基板２及び上基板３が相互に平行に、且つ相互に離隔して設けられている。下基板２及び上基板３（以下、総称して基板ともいう）は、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）により形成されている。下基板２及び上基板３の形状は相互に同一であり、上方から見て、矩形となっている。また、下基板２は廃熱側の基板であり、上基板３は吸熱側の基板である。なお、上方から見て、下基板２の相互に直交する２辺が延びる方向を夫々Ｘ方向及びＹ方向とする。
【００１７】
また、下基板２と上基板３との間には、夫々複数個のＮ型熱電チップ４及びＰ型熱電チップ５（以下、総称して熱電チップともいう）が設けられている。そして、Ｘ方向に沿って、下側電極６、Ｎ型熱電チップ４、上側電極７、Ｐ型熱電チップ５、下側電極６、Ｎ型熱電チップ４、上側電極７、Ｐ型熱電チップ５、下側電極６がこの順に配列されて直列に接続され、基本ブロック８を形成している。即ち、基本ブロック８においては、上基板３に熱的に接続されず下基板２に熱的に接続された下側電極６と、下基板２に熱的に接続されておらず上基板３に熱的に接続された上側電極７とが、その相互間にＮ型熱電チップ４又はＰ型熱電チップ５を配置して交互にＸ方向に沿って繰り返し配列されている。
【００１８】
これにより、基本ブロック８は、Ｘ方向に沿って直列に接続された３個の下側電極６、２個の上側電極７、２個のＮ型熱電チップ４及び２個のＰ型熱電チップ５により構成されている。また、下側電極６の下端部は、熱電チップ４及び５並びに上側電極７よりも下方に延出しており、上側電極７の上端部は、熱電チップ４及び５並びに下側電極６よりも上方に延出している。なお、以下、下側電極６及び上側電極７を総称して電極ともいう。そして、下基板２と上基板３との間には、Ｘ方向に３個、Ｙ方向に４個の合計１２個の基本ブロック８がマトリクス状に配置されている。
【００１９】
Ｎ型熱電チップ４においては、例えばＢｉ２Ｔｅ２．８Ｓｅ０．２からなるチップの表面に、ニッケル（Ｎｉ）層がめっきされており、その表面に更に金（Ａｕ）層がめっきされている。Ｐ型熱電チップ５においては、例えばＢｉ０．５Ｓｂ１．５Ｔｅ３からなるチップの表面に、Ｎｉ層がめっきされており、その表面に更にＡｕ層がめっきされている。また、下側電極６及び上側電極７は、例えば銅（Ｃｕ）からなるブロックの表面にＮｉ層がめっきされている。更に、各熱電チップ４及び５と各電極６及び７との間には、半田材１２（図１１参照）が接合材として存在する。この半田材は、例えば、Ｓｎ−Ｓｂ系の半田からなる。
【００２０】
下基板２の上面には電極パターン９が形成されている。また、上基板３の下面には電極パターン１０が形成されている。これにより、下基板２と下側電極６との間には電極パターン９が配置され、上基板３と上側電極７との間には電極パターン１０が配置されている。電極パターン９及び１０は、例えばめっき法により形成された銅（Ｃｕ）層からなり、複数の基本ブロック８を直列に電気的に接続すると共に、基本ブロック８を下基板２及び上基板３に熱的に接続するものである。
【００２１】
電極パターン９は、外部接続用パターン９ａ、基本ブロック間接続用パターン９ｂ及び９ｃ、並びにダミーパターン９ｄから構成されている。
【００２２】
各基本ブロック８の両端部に位置する下側電極６のうち、相互に対角の位置にない２ヶ所の角部、例えば、−Ｘ方向及び−Ｙ方向の角部と、−Ｘ方向及び＋Ｙ方向の角部とに位置する下側電極６と下基板２との間には、外部接続用パターン９ａが形成されている。外部接続用パターン９ａは、下側電極６の直下域及びこの直下域から−Ｘ方向に延出した領域に一体的に形成されており、この延出した領域に外部からのリード線１１が接続されている。
【００２３】
また、下基板２のＸ方向両端部に位置する下側電極６のうち、前記２ヶ所の角部に位置する下側電極６を除いた下側電極６と下基板２との間には、基本ブロック間接続用パターン９ｂが形成されている。上方から見たパターン９ｂの形状はＹ方向に延びる矩形であり、パターン９ｂはＹ方向に隣り合う２個の基本ブロック８の下側電極６に共通接続されており、これらの下側電極６同士を接続している。
【００２４】
更に、基本ブロック８の両端部に位置する下側電極６のうち、上述のパターン９ａ又はパターン９ｂに接続されたもの以外の下側電極６と下基板２との間には、基本ブロック間接続用パターン９ｃが形成されている。上方から見たパターン９ｃの形状はＸ方向に延びる矩形であり、パターン９ｃはＸ方向に隣り合う２個の基本ブロック８の下側電極６に共通接続されており、これらの下側電極６同士を接続している。即ち、Ｘ方向に隣り合う２個の基本ブロック８において、一方の基本ブロック８における他方の基本ブロック８側の端に配置された下側電極６と、他方の基本ブロック８における一方の基本ブロック８側の端に配置された下側電極６とが、両基本ブロック８の間に配置された１つのパターン９ｃに共通接続されている。
【００２５】
更にまた、基本ブロック８の両端部以外の位置に配置された下側電極６と下基板２との間には、ダミーパターン９ｄが形成されている。上方から見たダミーパターン９ｄの形状は下側電極６の形状と同じ矩形であり、ダミーパターン９ｄは下側電極６の直下域のみに形成されている。ダミーパターン９ｄは下側電極６を下基板２に熱的に接続するものであり、基本ブロック８同士の電気的な接続には寄与していない。
【００２６】
一方、上基板３の下面に形成された電極パターン１０の上方から見た形状は、上側電極７と同じ矩形であり、電極パターン１０は上側電極７の直上域のみに存在している。電極パターン１０は、上側電極７を上基板３に熱的に接続するものであり、基本ブロック８同士の電気的な接続には寄与していない。
【００２７】
また、電極パターン９と下側電極６との間、及び、電極パターン１０と上側電極７との間には、半田材１３（図１２参照）が存在する。この半田材１３は、例えば前述の熱電チップと電極との間に介在する半田材１２と同じＳｎ−Ｓｂ系の半田材でもよいが、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系半田材等のように半田材１２より低い融点を持つ半田材の方が好ましい。
【００２８】
これにより、１対のリード線１１の間に、複数個、例えば１２個の基本ブロック８が直列に接続される。また、各基本ブロック８内においては、各熱電チップ及び各電極が直列に接続されている。このため、熱電モジュール１に含まれる全ての熱電チップ及び電極が直列に接続され、１対のリード線１１間に１本の電流経路が形成されている。この電流経路は、一方のリード線１１が接続されたパターン９ａから、１列目の３個の基本ブロック８を通過することにより下基板２の全長にわたって＋Ｘ方向に進み、パターン９ｂを通過することにより＋Ｙ方向（又は−Ｙ方向）に１列分進み、２列目の３個の基本ブロック８を通過することにより下基板２の全長にわたって−Ｘ方向に進み、パターン９ｂを通過することにより＋Ｙ方向（又は−Ｙ方向）に１列分進み、３列目の３個の基本ブロック８を通過することにより下基板２の全長にわたって＋Ｘ方向に進み、パターン９ｂを通過することにより＋Ｙ方向（又は−Ｙ方向）に１列分進み、４列目の３個の基本ブロック８を通過することにより下基板２の全長にわたって−Ｘ方向に進み、他方のリード線１１が接続されたパターン９ａに到達する。このように、熱電モジュール１内の電流経路は蛇行状になる。
【００２９】
本実施形態に係る熱電モジュール１は、例えば、バイオテクノロジー分野における各種の温度制御、加工用の高出力レーザ発振器の温度制御、コンピュータのＣＰＵの冷却等に使用されるものである。例えば、レーザ発振器の温度制御に使用する場合は、上基板３の上面にレーザ発振器が取り付けられ、熱電モジュール１によりこのレーザ発振器が冷却される。
【００３０】
次に、上述の如く構成された本実施形態に係る熱電モジュールの動作について説明する。この熱電モジュール１においては、リード線１１間に電圧を印加すると、このリード線１１間に形成された電流経路に電流が流れる。これにより、各Ｎ型熱電チップ４及びＰ型熱電チップ５において上側電極７から下側電極６に向かう熱流が発生する。この結果、上側電極７に熱的に接続されている上基板３が吸熱されて冷却され、下側電極６に熱的に接続されている下基板２が廃熱されて加熱される。
【００３１】
本実施形態においては、熱電モジュール１が１２個の基本ブロック８により構成されている。このため、熱電モジュール１を組み立てる際に、熱電モジュール１を構成する全ての熱電チップ４及び５並びに電極６及び７を一時に組み立てるのではなく、比較的サイズが小さい基本ブロック８を予め組み立てておき、この基本ブロック８を、電極パターン９が形成された下基板２に１個ずつ取り付けていき、下基板２に全ての基本ブロック８を取り付けた後、基本ブロック８に電極パターン１０が形成された上基板３を取り付ければよい。これにより、本実施形態に係る熱電モジュール１は、組み立てに際してハンドリング性が良好で、破損しにくい。このため、熱電モジュール１は組み立てが容易である。
【００３２】
また、本実施形態においては、熱電モジュール１を構成する基本ブロック８の数を任意に選択できるため、下基板２及び上基板３のサイズを大きくしても、Ｘ方向に配列される基本ブロック８の数を増やせば、基本ブロック８を大型化する必要がない。このため、熱電モジュール１を大型化しても、組み立てが困難になることがない。
【００３３】
これに対して、前述の特許文献１に示す熱電モジュールにおいては、熱電チップの積層方向には１つの積層体しか配列されておらず、積層体の積層方向の長さは熱電モジュールの大きさによって決定される。このため、熱電モジュールの組み立ては困難なものになる。また、この従来の技術においては、全ての積層体を同時に組み込む必要があるため、熱電モジュールの組み立てはより一層困難である。
【００３４】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図２（ａ）は本実施形態に係る熱電モジュールを示す平面図であり、（ｂ）はその側面図である。図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態に係る熱電モジュール１ａにおいては、上基板が基本ブロック８毎に分割されている。即ち、前述の第１の実施形態に係る熱電モジュールの上基板３の替わりに、Ｘ方向に３個、Ｙ方向に４個、合計１２個に分割された上基板３ａが設けられている。そして、各上基板３ａが、夫々１個の基本ブロック８に連結されている。本実施形態における上記以外の構成は、前述の第１の実施形態と同様である。本実施形態においては、上基板が分割されていることにより、熱電モジュールの駆動時に発生する熱応力が緩和され、熱電モジュールの耐久性が向上する。
【００３５】
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図３は本実施形態に係る熱電モジュールを示す側面図である。本実施形態に係る熱電モジュール１ｂにおいては、前述の第２の実施形態と同様に、上基板として、基本ブロック８毎に分割された１２個の上基板３ａが設けられている。そして、下基板として、前述の第１の実施形態における下基板２の替わりに、Ｘ方向に３個、Ｙ方向に４個、合計１２個に分割された下基板２ａが設けられている。そして、基本ブロック間接続用パターン９ｃは、Ｘ方向中央に配置された下基板２ａ上に形成されている。本実施形態における上記以外の構成は、前述の第１の実施形態と同様である。本実施形態においては、上基板及び下基板の双方が夫々分割されていることにより、熱電モジュールの駆動時に発生する熱応力がより小さくなり、熱電モジュールの耐久性が更に向上する。
【００３６】
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。図４（ａ）は本実施形態に係る熱電モジュールを示す平面図であり、（ｂ）はその側面図である。図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態に係る熱電モジュール１ｃは、前述の第１の実施形態に係る熱電モジュールから、上基板３（図１（ａ）参照）を除いたものである。本実施形態においては、上基板がなくなることにより、駆動時に発生する熱応力が小さくなり、耐久性が向上する。また、熱抵抗となっていた上基板が除かれることにより、熱電モジュールの駆動効率も向上する。但し、上基板がなく、上側電極７がむき出しになっているため、上側基板７と接触して配置されるヒートシンク材（図示せず）の表面は、絶縁処理されている必要がある。
【００３７】
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。図５は本実施形態に係る熱電モジュールを示す側面図である。図５に示すように、本実施形態に係る熱電モジュール１ｄにおいては、前述の第４の実施形態に係る熱電モジュール１ｃと比較して、上側電極７の上端部に絶縁層１６が設けられている点が異なっている。絶縁層１６は、例えば溶射法により上側電極７の上端部に形成され、上側電極７と一体化されたセラミックス膜である。本実施形態における上記以外の構成は、前述の第４の実施形態と同様である。
【００３８】
本実施形態においては、上側電極７の上端部に絶縁層１６が設けられているため、上基板として、導電材料からなる部材、例えばＡｌからなる部材を取り付けることができる。これにより、上基板として、熱伝導性が優れた導電性ヒートシンクブロックを、その表面に絶縁処理をすることなく設けることができ、熱電モジュールの効率を向上させることができる。
【００３９】
なお、絶縁層１６は、スパッタ法により形成されたものであってもよい。また、アルミナ又はＡｌＮ等のセラミックスからなるシート材が上側電極７に接合されたものであってもよい。更に、絶縁層１６は有機皮膜により形成されていてもよい。
【００４０】
次に、本発明の第６の実施形態について説明する。図６は本実施形態に係る熱電モジュールを示す側面図である。図６に示すように、本実施形態に係る熱電モジュール１ｅにおいては、廃熱側基板である下基板２に連結された下側電極６ａが、吸熱側基板である上基板３に連結された上側電極７よりも太くなっている。即ち、下側電極６ａのＸ方向における長さが、上側電極７のＸ方向における長さよりも長くなっている。これにより、下側電極６ａにおける熱流方向（上下方向）に直交する断面、即ち、下基板２の上面に平行な断面の断面積が、上側電極７よりも大きくなっている。本実施形態における上記以外の構成は、前述の第１の実施形態と同様である。
【００４１】
一般に、熱電モジュールにおいては、電流が流れることにより、熱電モジュール自体がジュール熱を発するため、吸熱側から流入する熱量よりも、廃熱側へ流出する熱量の方が大きくなる。本実施形態においては、上述の如く、下側電極６ａにおける下基板２の上面に平行な断面の断面積を、上側電極７における断面積よりも大きくすることにより、下側電極の熱抵抗を上側電極の熱抵抗よりも低くし、熱電モジュール全体の効率を向上させることができる。また、基本ブロック８の両端部に配置された下側電極６ａにおいては、電流も熱流と同様に上下方向に流れるため、下側電極６ａにおける下基板２の上面に平行な断面の断面積を大きくすることにより、下側電極６ａの電気抵抗を低減することができる。この結果、熱電モジュール全体の電気抵抗を低減することができる。
【００４２】
なお、本実施形態においては、下側電極６ａにおける熱流方向に直交する断面の断面積を大きくするために、Ｘ方向の長さを長くする例を示したが、本発明はこれに限定されず、Ｙ方向の長さを長くしてもよく、Ｘ方向及びＹ方向の両方の長さを長くしてもよい。また、本実施形態においては、全ての下側電極を太くする例を示したが、一部の電極を太くするだけでもよい。例えば、基本ブロックの両端部に配置された下側電極のみを太くしても、熱電モジュールの熱抵抗及び電気抵抗を低減する効果が得られる。更に、本実施形態においては、下基板を廃熱側基板としたが、上基板を廃熱側基板とする場合は、下側電極よりも上側電極を太くする。
【００４３】
次に、本発明の第７の実施形態について説明する。図７は本実施形態に係る熱電モジュールを示す側面図である。図７に示すように、本実施形態は、前述の第２の実施形態と第６の実施形態とを組み合わせたものである。即ち、本実施形態に係る熱電モジュール１ｆは、第２の実施形態に係る上基板が分割された熱電モジュールにおいて、第６の実施形態と同様に、下側電極を上側電極よりも太くしたものである。本実施形態に係る上記以外の構成は、前述の第２の実施形態と同様である。また、本実施形態に係る効果は、前述の第２及び第６の実施形態と同様である。
【００４４】
次に、本発明の第８の実施形態について説明する。図８は本実施形態に係る熱電モジュールを示す側面図である。図８に示すように、本実施形態は、前述の第４の実施形態と第６の実施形態とを組み合わせたものである。即ち、本実施形態に係る熱電モジュール１ｇは、第４の実施形態に係る上基板が省略された熱電モジュールにおいて、第６の実施形態と同様に、下側電極を上側電極よりも太くしたものである。本実施形態に係る上記以外の構成は、前述の第４の実施形態と同様である。また、本実施形態に係る効果は、前述の第２及び第６の実施形態と同様である。
【００４５】
なお、前述の第７の実施形態において、前述の第３の実施形態のように上基板及び下基板の双方が分割されていてもよく、前述の第８の実施形態において、前述の第５の実施形態のように上側電極の上端部に絶縁層が形成されていてもよい。
【００４６】
次に、本発明の第９の実施形態及びその第１乃至第３の変形例について説明する。図９（ａ）は本実施形態に係る熱電モジュールの基本ブロックを示す側面図であり、（ｂ）は本実施形態の第１の変形例における基本ブロックを示す側面図であり、（ｃ）は本実施形態の第２の変形例における基本ブロックを示す側面図であり、（ｄ）は本実施形態の第３の変形例における基本ブロックを示す側面図である。第９の実施形態及びその第１乃至第３の変形例は、前述の第１の実施形態と比較して、下側電極及び上側電極の形状が異なっている。第９の実施形態及びその第１乃至第３の変形例におけるそれ以外の構成は、前述の第１の実施形態と同様である。
【００４７】
図９（ａ）に示すように、第９の実施形態においては、下側電極６ｂ及び上側電極７ｂに段差が形成されている。即ち、下側電極６ｂにおいては、下部が上部に比べて太くなっている。また、上側電極７ｂにおいては、上部が下部に比べて太くなっている。そして、各電極の細い部分間、即ち、下側電極６ｂの上部と上側電極７ｂの下部との間に、熱電チップが挟まれており、各電極の太い部分は、熱電チップの上下に位置している。即ち、下側電極６ｂ及び上側電極７ｂにおけるＮ型熱電チップ４とＰ型熱電チップ５との間に位置する部分が、他の部分よりも細くなっている。
【００４８】
これにより、各電極における熱流方向に直交する断面積が増大し、電極の熱抵抗が低減する。また、基本ブロック８の組み立ても容易になる。
【００４９】
また、図９（ｂ）に示すように、本実施形態の第１の変形例においては、下側電極６ｃ及び上側電極７ｃの中央部付近に、熱電チップが嵌合するような凹部１７が形成されている。これにより、熱電チップが凹部１７に嵌合するため、基本ブロック８の組み立てが一層容易になる。
【００５０】
更に、図９（ｃ）に示すように、本実施形態の第２の変形例においては、下側電極６ｄ及び上側電極７ｄの幅、即ちＹ方向の長さが、各熱電チップの幅よりも大きくなっており、更に、各電極に熱電チップが嵌合する凹部１８が形成されている。これにより、熱電チップが凹部１８に嵌合するため、基本ブロック８の組み立てがより一層容易になる。
【００５１】
更にまた、図９（ｄ）に示すように、本実施形態の第３の変形例においては、下側電極６ｅ及び上側電極７ｅがヒートパイプ構造となっている。ヒートパイプ構造とは、閉じたパイプの内部１９を真空にし、水等の作動液を少量封入したものであり、このヒートパイプ構造により、より低い熱抵抗を実現できる。
【００５２】
次に、本発明の第１０の実施形態について説明する。本実施形態は、前述の第１の実施形態に係る熱電モジュールの製造方法の実施形態である。図１０（ａ）乃至（ｅ）は、本実施形態に係る熱電モジュールの製造方法をその工程順に示す斜視図であり、図１１は、本実施形態に係る熱電モジュールの製造方法における図１０（ｅ）の次の工程を示す側面図であり、図１２は、本実施形態に係る熱電モジュールの製造方法における図１１の次の工程を示す側面図である。
【００５３】
先ず、図１０（ａ）に示すように、熱電材料からなるバルク材２１を作製する。このバルク材２１は、鋳造法の一種である一方向凝固法、又は焼結法等により作製する。
【００５４】
次に、図１０（ｂ）に示すように、バルク材２１を内周刃装置又はマルチワイヤ装置（図示せず）により、例えば０．４ｍｍ毎にスライスする。これにより、バルク材２１から複数枚のウエハ２２を作製する。
【００５５】
次に、図１０（ｃ）に示すように、めっき槽３１にめっき液３２を満たし、このめっき液３２にウエハ２２を浸漬させ、無電解めっき法によりウエハ２２の表面にＮｉ層をめっきする。このとき、Ｎｉ層の厚さは例えば４μｍとする。なお、このとき、電解めっき法によりＮｉ層をめっきしてもよい。次に、このＮｉ層上に、更にＡｕ層をめっきする。このＡｕ層は、後の工程において、半田付け性を向上させるためのものである。
【００５６】
次に、図１０（ｄ）に示すように、めっき後のウエハ２２をダイシング装置（図示せず）によりダイシングし、例えば、縦が３ｍｍ、横が３ｍｍの矩形状に切り出す。これにより、図１０（ｅ）に示すように、ウエハ２２（図１０（ｄ）参照）を、複数個の熱電チップ２３に切り分ける。この熱電チップ２３は、図１に示すＮ型熱電チップ４又はＰ型熱電チップ５である。
【００５７】
次に、図１１に示すように、例えばＣｕからなるブロックの表面にＮｉ層をめっきして、下側電極６及び上側電極７を作製する。また、例えば、Ｓｎ−Ｓｂ系半田からなるシート状の半田材１２を用意する。そして、下側電極６、半田材１２、Ｎ型熱電チップ４、半田材１２、上側電極７、半田材１２、Ｐ型熱電チップ５、半田材１２、下側電極６、半田材１２、Ｎ型熱電チップ４、半田材１２、上側電極７、半田材１２、Ｐ型熱電チップ５、半田材１２、下側電極６をこの順に積層し、加熱することにより半田材１２を溶融させ、これらを相互に接合する。これにより、基本ブロック８が作製される。この基本ブロック８を、例えば１２個作製する。
【００５８】
一方、図１２に示すように、例えばアルミナからなる下基板２の上面にＣｕ層をめっきすることにより、電極パターン９を形成する。また、例えばアルミナからなる上基板３の下面にＣｕ層をめっきすることにより、電極パターン１０を形成する。そして、電極パターン９が形成された下基板２上に、基本ブロック８を１つずつ搭載していく。このとき、基本ブロック８の下側電極６と電極パターン９との間に、シート状の半田材１３を介在させる。半田材１３は例えばＳｎ−Ｓｂ系半田により形成するが、その融点は、半田材１２（図１１参照）の融点よりも低いことが望ましい。なお、図１２においては、図を簡略化するために、半田材１２は図示を省略している。
【００５９】
全ての基本ブロック８を搭載した後、基本ブロック８の上に、電極パターン１０が形成された上基板３を載置する。このとき、基本ブロック８の上側電極７と電極パターン１０との間に、シート状の半田材１３を介在させる。そして、この下基板２、基本ブロック８、上基板２からなる積層体を加熱して、半田材１３を溶融させる。このとき、半田材１３は溶融するが、半田材１２は溶融しないような温度に加熱する。これにより、下基板２、基本ブロック８、上基板３が相互に接合されて一体化し、熱電モジュール１が製造される。
【００６０】
本実施形態においては、熱電モジュール１を構成する全ての熱電チップ及び電極を一時に組み立てるのではなく、先ず、比較的小さなサイズの基本ブロック８を複数個作製し、次に、下基板２上に基本ブロック８を１個ずつ順番に載置していくことができる。このため、ハンドリング性が良く、各部品を誤って破損してしまうことが少なく、組み立てが容易である。
【００６１】
なお、図１２に示す工程において、上基板３の替わりに、１２個に分割された上基板３ａ（図２参照）を基本ブロック８上に載置すれば、前述の第２の実施形態に係る熱電モジュール１ａ（図２参照）を製造することができる。また、下基板２の替わりに１２個に分割された下基板２ａを使用し、上基板３の替わりに１２個に分割された上基板３ａ（図３参照）を使用すれば、前述の第３の実施形態に係る熱電モジュール１ｂ（図３参照）を製造することができる。更に、上基板３を省略すれば、前述の第４の実施形態に係る熱電モジュール１ｃ（図４参照）を製造することができ、このとき、上側電極７の上端部に絶縁層１６を形成すれば、前述の第５の実施形態に係る熱電モジュール１ｄ（図５参照）を製造することができる。更にまた、下側電極として、上側電極７よりも太い電極６ａ（図６参照）を使用すれば、前述の第６乃至第８の実施形態に係る熱電モジュール（図６乃至図８参照）を製造することができる。更にまた、下側電極及び上側電極として、図９（ａ）乃至（ｄ）に示すような電極を使用すれば、前述の第９の実施形態及びその第１乃至第３の変形例に係る熱電モジュール（図９（ａ）乃至（ｄ）参照）を製造することができる。
【００６２】
なお、上述の各実施形態においては、各基本ブロック８において、下側電極６、Ｎ型熱電チップ４、上側電極７、Ｐ型熱電チップ５がこの順に積層された基本サイクルが２回繰り返され、且つ基本ブロック８の両端部に下側電極６が配置されている。このため、基本ブロック８が、３個の下側電極６及び各２個のＮ型熱電チップ４、上側電極７、Ｐ型熱電チップ５により構成されている。しかしながら、本発明はこれに限定されず、ｎを任意の自然数とするとき、各基本ブロックにおいて前述の基本サイクルがｎ回繰り返されていてもよい。この場合、（ｎ＋１）個目の下側電極６が、ｎサイクル目の上側電極７との間でｎサイクル目のＰ型熱電チップ５を挟む位置に配置され、このｎサイクル目のＰ型熱電チップ５に接続される。このとき、各基本ブロックは、（ｎ＋１）個の下側電極６、各ｎ個のＮ型熱電チップ４、上側電極７、Ｐ型熱電チップ５により構成される。
【００６３】
また、上述の各実施形態においては、下基板２を廃熱側、上基板３を吸熱側としたが、これを逆にしてもよい。
【００６４】
更に、上述の各実施形態においては、下基板２及び上基板３をアルミナにより形成する例を示したが、本発明はこれに限定されず、下基板２及び上基板３を、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）若しくは炭化珪素（ＳｉＣ）等の絶縁セラミックス、又は表面が絶縁処理された金属板により形成してもよい。つまり、下基板２及び上基板３においては、少なくとも表面における電極パターンが形成される位置が絶縁されていればよい。表面が絶縁された金属板により基板を形成することにより、電極と基板との間の電気的絶縁を確保しつつ、基板の熱伝導性を向上させることができる。これにより、基板をヒートシンクとして使用することもできる。
【００６５】
更にまた、上述の各実施形態においては、下側電極６及び上側電極７をＣｕからなるブロックにＮｉ層をめっきして形成する例を示したが、本発明はこれに限定されず、Ｎｉ層の表面に更に金（Ａｕ）めっき層、パラジウム（Ｐｄ）めっき層、錫（Ｓｎ）めっき層又は半田めっき層を形成してもよい。また、ブロックをＣｕ合金、アルミニウム（Ａｌ）、Ａｌ合金、カーボン（Ｃ）系材料等の電気伝導性材料により形成してもよい。又は、カーボン系の材料により多孔質体を形成し、この多孔質部分にＡｌ若しくはＣｕ等の金属を充填してもよい。この場合は、カーボン系材料からなる多孔質体の表面に、Ｎｉ層をめっきすることが好ましい。これにより、カーボンの粉末が熱電モジュール内で飛散することを防止でき、カーボン粉末に起因するショートの発生を防止できる。
【００６６】
更にまた、電極パターン９及び１０を形成する材料はＣｕに限定されず、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金等のＣｕ以外の金属又は合金により形成されていてもよい。また、電極パターン９及び１０の形成方法はめっき法に限定されず、気相法、ＤＢＣ（Direct Bonding Copper）法、ろう付け法、印刷法等により形成してもよく、Ｃｕ等からなる小片を基板に接着して電極パターンとしてもよい。更に、電極パターンには、必要に応じて、表面にＮｉめっき又はＡｕめっき等を施してもよい。
【００６７】
更にまた、各熱電チップと各電極との間に介在させる半田材１２、及び各電極と各電極パターンとの間に介在させる半田材１３は、Ｓｎ−Ｓｂ系の半田材に限定されず、例えば、Ｓｕ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｚｎ系、Ｓｎ−Ｉｎ系又はＡｕ−Ｓｕ系等の半田材であってもよい。但し、この場合においても、半田材１３の融点は、半田材１２の融点よりも低くすることが好ましい。これにより、半田材１３を溶融させて基本ブロック８を下基板２に接合する際に、基本ブロック８の作製に使用し、既に凝固している半田材１２が溶融することがない。また、半田材の形状はシート形状に限定されず、例えば、半田めっきを形成してもよく、又はクリーム状の半田材を被接合部分に塗布してもよい。また、各熱電チップと各電極との連結は、半田材ではなく、ろう付けによって行ってもよく、機械的な締結により行ってもよい。
【００６８】
更にまた、上述の各実施形態に係る熱電モジュールを上下方向に複数段積層し、多段構成の熱電装置としてもよい。この場合、隣接する熱電モジュールの基板は共通化してもよい。例えば、熱電モジュールを２段重ねる場合は、基板を３枚とし、下から１番目の基板を下段の熱電モジュールの下基板とし、下から２番目の基板を下段の熱電モジュールの上基板と上段の熱電モジュールの下基板を兼ねる基板とし、下から３番目、即ち、最上段の基板を上段の熱電モジュールの上基板としてもよい。また、このとき、下から２番目の基板にスルーホールを形成し、このスルーホールを介して、下段の熱電モジュールの電気経路と上段の熱電モジュールの電気経路とを相互に接続してもよい。
【００６９】
更にまた、上述の各実施形態においては、基本ブロックは全て電気的に直列に接続されていたが、並列又は直列と並列との組み合わせでもよい。更にまた、上述の各実施形態では、熱電モジュールを冷却又は温度制御を目的として使用する例を示したが、本発明の熱電モジュールは発電を目的とした用途にも使用できる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明は、熱電チップと電極とが交互に積層された熱電モジュールに利用することができ、特に、バイオテクノロジー分野における各種の温度制御、加工用の高出力レーザ発振器の温度制御、コンピュータのＣＰＵの冷却等に使用される熱電モジュール、及び発電に使用される熱電モジュールに好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る熱電モジュールを上方から見た平面図であり、（ｂ）はその側面図である。
【図２】（ａ）は本発明の第２の実施形態に係る熱電モジュールを示す平面図であり、（ｂ）はその側面図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る熱電モジュールを示す側面図である。
【図４】（ａ）は本発明の第４の実施形態に係る熱電モジュールを示す平面図であり、（ｂ）はその側面図である。
【図５】本発明の第５の実施形態に係る熱電モジュールを示す側面図である。
【図６】本発明の第６の実施形態に係る熱電モジュールを示す側面図である。
【図７】本発明の第７の実施形態に係る熱電モジュールを示す側面図である。
【図８】本発明の第８の実施形態に係る熱電モジュールを示す側面図である。
【図９】（ａ）は本発明の第９の実施形態に係る熱電モジュールの基本ブロックを示す側面図であり、（ｂ）は本実施形態の第１の変形例における基本ブロックを示す側面図であり、（ｃ）は本実施形態の第２の変形例における基本ブロックを示す側面図であり、（ｄ）は本実施形態の第３の変形例における基本ブロックを示す側面図である。
【図１０】（ａ）乃至（ｅ）は、本発明の第１０の実施形態に係る熱電モジュールの製造方法をその工程順に示す斜視図である。
【図１１】本実施形態に係る熱電モジュールの製造方法における図１０（ｅ）の次の工程を示す側面図である。
【図１２】本実施形態に係る熱電モジュールの製造方法における図１１の次の工程を示す側面図である。
【図１３】従来の熱電モジュールの積層体を示す側面図である。
【符号の説明】
【００７２】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ；熱電モジュール  ２、２ａ；下基板  ３、３ａ；上基板  ４；Ｎ型熱電チップ  ５；Ｐ型熱電チップ  ６、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ；下側電極  ７、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ；上側電極  ８；基本ブロック  ９、１０；電極パターン  ９ａ；外部接続用パターン  ９ｂ、９ｃ；基本ブロック間接続用パターン  ９ｄ；ダミーパターン  １１；リード線  １２、１３；半田材  １６；絶縁層  １７、１８；凹部  １９；内部  ２１；バルク材  ２２；ウエハ  ２３；熱電チップ  ３１；めっき槽  ３２；めっき液  １０１；Ｎ型熱電チップ  １０２；低温側電極  １０３；Ｐ型熱電チップ  １０４；高温側電極  １０５；積層体  １０６；低温側基板  １０７；高温側基板  １０６ａ、１０７ａ；凹部
【図１】
2006237050.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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